机器人放射治疗系统

摘要

本发明涉及医疗设备领域中的一种机器人放射治疗系统，由正、逆向放射治疗计划系统，三维数控治疗床，实时影像自动跟踪系统，机器人系统，射线源，实时剂量验证系统六大模块组成，其特征在于实时影像自动跟踪系统由C型臂实时影像系统、红外自动跟踪定位仪和电磁自动跟踪定位仪组成，肿瘤治疗靶区吸收剂量实时剂量验证系统由二维矩阵电离室或非晶硅(硒)电子射野图像系统组成，安装在二维矩阵剂量仪运动支撑架上。本发明的机器人放射治疗系统，将现代放射治疗中的模拟定位、治疗计划、图像引导、精确定位、适形治疗、剂量验证完全集成在一起，成为了真正“智能型”、“一体化”的全身肿瘤精确放射治疗系统。

权利要求

1.一种机器人放射治疗系统，由正、逆向放射治疗计划系统，三维数控治疗床，实时影像自动跟踪系统，机器人系统，射线源和实时剂量验证系统六大模块组成，其中，正、逆向放射治疗计划系统通过网络分别与三维数控治疗床、实时影像自动跟踪系统、机器人系统、射线源、实时剂量验证系统相连，三维数控治疗床与实时影像自动跟踪系统相连，实时影像自动跟踪系统与机器人系统相连，机器人系统与射线源相连，射线源与实时剂量验证系统相连；并通过数据采集、建立模型、确定治疗方法、三维实时影像采集、靶区自动跟踪和治疗过程中的干预与修正，实现集成放射治疗；其特征在于实时影像自动跟踪系统由C型臂实时影像系统、红外自动跟踪定位仪(13)和电磁自动跟踪定位仪(14)组成，肿瘤治疗靶区吸收剂量实时剂量验证系统由二维矩阵电离室或非晶硅电子射野图像系统组成，安装在二维矩阵剂量仪运动支撑架(8)上，在治疗过程中，二维矩阵电离室或非晶硅电子射野图像系统的中心点始终和靶区中心点保持一致；实时影像自动跟踪系统配备了两套自动定位跟踪系统：采用在体表皮肤放置体表标记物(15)的红外自动跟踪定位仪(13)和采用在体内肿瘤组织上放置电磁发生器(16)的电磁自动跟踪定位仪(14)，在治疗过程中，病人的体位和因内部器官运动造成的靶区细小移动，通过这两种自动跟踪定位系统监测数据和C型臂实时影像系统数据分析比较，将修正后经主治医生确认的数据输送给机器人系统进行调整；其中，治疗时，首先通过数据采集即用存在中心数据库内病人的病灶图像，来建立以骨形解剖参考特点的数学模型，根据病情设计出治疗方案，计算和优化出病灶点需接受的放射剂量，再通过实时影像自动跟踪系统追踪病人体部靶区位置的移动，把数据输送至机器人系统，随时实时修正，实现三维实时影像采集和靶区自动跟踪的功能，通过实时剂量验证系统对实时测量剂量进行重建，并和计算剂量进行比较，若实时监测所照射治疗靶区接受的真实剂量和计算剂量有差异，当这种差异超过了一定的误差范围，则自动提示工作人员，或自动修正造成误差的原因，或修改治疗计划和治疗条件，或使机器人中止治疗。

2.根据权利要求1所述的机器人放射治疗系统，其特征在于C型臂实时影像系统由C臂滑轨(1)、C臂转轴(2)、C臂底座(3)和安装在C臂滑轨两端的X射线源(4)、X线探测器(5)组成，C臂滑轨(1)引导X射线源(4)和X线探测器(5)作大于180°运动，臂深控制在750mm～1000mm之间，C臂水平轴可旋转±180°，垂直轴左右摆动±12°；

X射线源(4)能量为KV级，在80～150KV之间可调。

3.根据权利要求2所述的机器人放射治疗系统，其特征在于X线探测器(5)为CCD影像增强器或非晶硅平板探测器，探测器最大有效探测面积可达41cm×41cm。

4.根据权利要求1所述的机器人放射治疗系统，其特征在于三维数控治疗床由可前、后、左、右、上、下和旋转运动的数控移动碳纤维床板(7)、带支架和面罩的头部固定器(17)、可上、下及360°旋转运动治疗床升降转轴(9)以及可使二维矩阵电离室或非晶硅电子射野图像系统作X、Y、Z三维数控运动的二维矩阵剂量仪运动支撑架(8)和控制系统组成；三维数控治疗床的控制系统和实时影像自动跟踪系统、机器人系统以及射线源的控制系统互动连接。

5.根据权利要求1所述的机器人放射治疗系统，其特征在于机器人系统由控制系统和机器人(10)组成。

6.根据权利要求1所述的机器人放射治疗系统，其特征在于射线源由控制系统和安装

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在机器人(10)的手臂上的6MV X波段水冷直线加速器(11)组成，在直线加速器(11)前端配有变野准直器(12)适配器。

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说明书

机器人放射治疗系统

[0001] 所属技术领域：本发明涉及医疗设备领域，具体是一种机器人放射治疗系统。

[0002] 背景技术：肿瘤放射治疗的目的是给肿瘤靶区最大的治疗剂量，而使周围正常组织和器官受的照射剂量最小，以提高肿瘤的局部控制率，减少正常组织的并发症。 要达到这个目的，在进行放射治疗工作时，必须做到“四精”，即精确诊断、精确设计、精确定位和精确治疗。 近年来，随着放射物理学、放射生物学、临床肿瘤学和医学影像学等相关学科的发展，放射治疗技术发生了巨大变化。 传统的常规放疗正向精确放射治疗转变。 所谓精确放射治疗技术，就是指采用现代化的计算机技术、医学影像技术、放射生物技术、放射物理技术和临床肿瘤治疗技术为手段，对肿瘤进行“精确诊断、精确定位、精确计划、精确治疗”的一种新的放射治疗技术。

[0003] 精确放射治疗技术包括三维适形放射治疗(3D-CRT)技术、调强放射治疗(IMRT)技术、立体定向放射治疗(SRT)技术、立体定向放射外科(SRS)、图像引导的放射治疗(IGRT)以及断层扫描调强治疗(Tomotherapy)和自控刀(如“Cyberknife”)等。精确放射治疗技术能明显提高肿瘤的局部控制率，降低正常组织的并发症，从而提高治疗效果。其中，中国专利200410081270.6 “自控动态立体定向放射治疗系统”将模拟定位、治疗计划、图像引导、精确照射、适形治疗完全集成在一起，具有减少放疗设备、缩短治疗过程、提高治疗精度、降低治疗成本的优点，但仍然有可进一步完善的地方。

[0004] 发明内容：本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种机器人放射治疗系统，将现代放射治疗中的模拟定位、治疗计划、图像引导、精确定位、适形治疗、剂量验证完全集成在一起，以成为真正“智能型”、“一体化”的全身肿瘤精确放射治疗系统。

[0005] 本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

[0006] 本发明的机器人放射治疗系统由正、逆向放射治疗计划系统，三维数控治疗床，实时影像自动跟踪系统，机器人系统，射线源，实时剂量验证系统六大模块组成，其中，正、逆向放射治疗计划系统通过网络分别与三维数控治疗床、实时影像自动跟踪系统、机器人系统、射线源、实时剂量验证系统相连，三维数控治疗床与实时影像自动跟踪系统相连，实时影像自动跟踪系统与机器人系统相连，机器人系统与射线源相连，射线源与实时剂量验证系统相连；其特征在于实时影像自动跟踪系统由C型臂实时影像系统、红外自动跟踪定位仪(13)和电磁自动跟踪定位仪(14)组成，肿瘤治疗靶区吸收剂量实时剂量验证系统由二维矩阵电离室或非晶硅(硒)EPID(电子射野图像系统)组成，安装在二维矩阵剂量仪运动支撑架(8)上。

[0007] 上述方案中，C型臂实时影像系统由C臂滑轨(1)、C臂转轴(2)、C臂底座(3)和安装在C臂滑轨两端的X射线源(4)、X线探测器(5)组成，C臂滑轨(1)可引导X射线源(4)和X线探测器(5)作大于180°运动，臂深可控制在750mm～1000mm之间，C臂水平轴可旋转±180°，垂直轴左右摆动±12°；X射线源(4)能量为KV级，在80～150KV之间可调。

[0008] 上述方案中，X线探测器(5)可为CCD影像增强器或非晶硅(硒)平板探测器，4
探测器最大有效探测面积可达41cm×41cm。

[0009] 上述方案中，三维数控治疗床由可前、后、左、右、上、下和旋转运动的数控移动碳纤维床板(7)、带支架和面罩的头部固定器(17)、可上、下及360°旋转运动治疗床升降转轴(9)以及可使二维矩阵电离室或非晶硅(硒)EPID(电子射野图像系统)作X、Y、Z三维数控运动的二维矩阵剂量仪运动支撑架(8)和控制系统组成；三维数控治疗床的控制系统和实时影像自动跟踪系统、机器人系统以及射线源的控制系统互动连接，在治疗过程中，通过控制系统，可以非常精准实现机器人放疗系统的射束输出-靶区-治疗体位三位一体的配合。

[0010] 上述方案中，机器人系统由控制系统和机器人(10)组成。

[0011] 上述方案中，射线源由控制系统和安装在机器人(10)的手臂上的6MV X波段水冷直线加速器(11)组成，在直线加速器(11)前端配有变野准直器(12)适配器，根椐病人病情需要选择不同的准直器。

[0012] 本发明提出的机器人放射治疗系统(Robort Radiotherapy System)(RRTS)，是一种集成(或一体化)放射治疗系统。

[0013] RRTS系统主要治疗的疾病有：

[0014] 头颈部肿瘤：如胶质细胞瘤、神经胶质瘤、颅底肿瘤、转移瘤、鼻咽癌等；

[0015] 体部实体肿瘤：如肺部肿瘤、乳腺肿瘤、胰腺肿瘤、肝脏肿瘤、肾脏肿瘤、乳腺肿瘤；

[0016] 脊髓部位肿瘤、前列腺肿瘤、妇科肿瘤、骨科肿瘤；

[0017] 血管畸形：如动静脉血管畸形和海绵状血管畸形等；

[0018] 神经系统疾病：如三叉神经痛、癫痫、帕金森病、腰神经根病变；

[0019] 良性瘤：如脑膜瘤、听神经瘤、神经鞘膜瘤、垂体瘤、血管母细胞瘤、其它良性肿瘤等；

[0020] 部分心血管疾病。

[0021] RRTS系统的特点：

[0022] “RRTS”是利用一个能产生6MV X波段射线、重约150公斤的水冷式轻型直线电子加速器作为治疗射线源；

[0023] 该系统配有一个六自由度机械臂，加速器依附在机械臂上，通过计算机软件运算和操作；采用图像引导技术获取的低剂量三维容积图像(3D Volume Image)追踪肿瘤位置，运用实时测得的剂量校正引导机器人放射治疗系统束流剂量，然后再以准确剂量的放射线来照射肿瘤。计算机控制的机器手的位置重复精度小于0.2毫米，几乎可以接近传统立体定位放射外科(X刀、γ刀)所无法达到的所有病变部位。系统既可作常规共面或非共面等中心照射，也可作非等中心照射；既可实现常规圆形射野治疗技术，也可实现方野多种调强放射治疗技术；

[0024] 完全不使用框架和头盔，对病人进行无创伤治疗，解除了病人的有创定位痛苦和心理压力，使治疗过程更有效地进行；

[0025] 先进的容积影像引导技术和红外电磁自动跟踪定位系统可以在治疗过程中动态实时追踪病人和靶目标，对肺、肝、肾、胰等运动组织器官肿瘤可实施高精准“动态放疗”，这是目前所有放疗设备和技术均作不到的；5

[0026] 非等中心照射的优势可使放射剂量在病变部位达到最佳的均匀分布和适形性，完全消除剂量分布上的冷点和热点，疗效明显增强；

[0027] 采取可变野的圆形和方形准直器，运用独创的射野--距离-时间调强技术，解决了在大野照射肿瘤时，自控刀(如“Cyberknife”)不能进行调强放治疗的弱点，大大提高了设备的使用效率和应用范围，这也是RRTS和其它治疗技术根本根本不同的地方之一。

[0028] 配备有实时剂量测量系统，可以即时测定计算出体内肿瘤靶区的受照剂量，保证放疗计划的准确执行，这也是其它治疗技术完全不具备的功能。

[0029] 可提供正向治疗计划，也可提供逆向治疗计划；

[0030] 可单次治疗，也可分次治疗，兼容放射外科和放射治疗两种功能。

[0031] 6MV加速器产生的X射线束通过可变野准直器用单束或多束多种调强方式从不同的方向聚焦至病灶点，使病灶点承受高剂量的放射，减少对周围的组织的放射。

[0032] 综上所述，由于RRTS独有的容积图像引导的IMRT精确放疗和多部位非等中心治疗等特性，使之能够灵活应用于治疗常规立体定向放射治疗系统(γ刀、X刀)所难以接近的颅内损伤，例如脑膜瘤、鼻咽癌、转移瘤、脑神经瘤、脊髓瘤特别能够接近颅部比较低处的孔、凹和颈髓上的损伤部位，以及靠近关键部位的颅内病变。 尤其是，它能够对全身大部分器官组织的实体肿瘤进行治疗，是真正意义上的图像引导的人工智能放射治疗和全身放射外科设备。 而它的射束具有近乎“激光制导”的精准和6个自由度的灵巧，因此也为用于外照射预防和治疗某些心血管疾病开辟了一条新的途径。

[0033] 所以，本发明的机器人放射治疗系统，将现代放射治疗中的模拟定位、治疗计划、图像引导、精确定位、适形治疗、剂量验证完全集成在一起，成为了真正“智能型”、“一体化”的全身肿瘤精确放射治疗系统。附图说明：

[0034] 图1是本发明实施例的正面示意图。

[0035] 图2是本发明实施例的侧面示意图。

[0036] 图3是本发明的软件工作模块图。

[0037] 图4是本发明的工作流程图。具体实施方式：

[0038] 下面结合附图及实施例进一步详述本发明，但本发明不仅限于所述实施例。

[0039] 附图中，各数字的含义为：1：C臂滑轨；2：C臂转轴；3：C臂底座；4：X线射线源；5：X线探测器；6：病人；7：数控移动碳纤维床板；8：二维矩阵剂量仪运动支撑架；9：治疗床升降转轴；10：机器人；11：治疗放射源；12：可变野准直器；13：红外自动跟踪定位仪；14：电磁自动跟踪定位仪；15：体表标记物；16：电磁发生器；17：头部固定器。

[0040] 如图1和图2所示，本发明的机器人放射治疗系统由正、逆向放射治疗计划系统，三维数控治疗床，实时影像自动跟踪系统，机器人系统，射线源，实时剂量验证系统六大模块组成，其中，放射治疗计划系统分别与三维数控治疗床、实时影像自动跟踪系统、机器人系统、射线源、实时剂量验证系统相连，三维数控治疗床与实时影像自动6
跟踪系统相连，实时影像自动跟踪系统与机器人系统相连，机器人系统与射线源相连，射线源与实时剂量验证系统相连；其特征在于实时影像自动跟踪系统由C型臂实时影像系统、红外自动跟踪定位仪(13)和电磁自动跟踪定位仪(14)组成，肿瘤治疗靶区吸收剂量实时剂量验证系统由二维矩阵电离室或非晶硅(硒)EPID(电子射野图像系统)组成，并安装在二维矩阵剂量仪运动支撑架(8)上，在治疗过程中，矩阵电离室或非晶硅(硒)EPID的中心点始终和靶区中心点保持一致。 为了进一步提高系统治疗精度和自动化程度，本系统针对体内运动器官(如肝、肺、肾、心等)运动造成体位和肿瘤靶区移动误差，配备了两套自动定位跟踪系统：采用在体表皮肤放置体表标记物(15)的红外自动跟踪定位仪(13)和采用在体内肿瘤组织上放置电磁发生器(16)的电磁自动跟踪定位仪(14)，在治疗过程中，病人的体位和因内部器官运动造成的靶区细小移动，通过这两种自动跟踪定位系统监测数据和C型臂实时影像系统数据分析、比较，将修正后经主治医生确认的数据输送给机器人(10)的控制系统进行调整。

[0041] C型臂实时影像系统由C臂滑轨(1)、C臂转轴(2)、C臂底座(3)和安装在C臂滑轨两端的X射线源(4)、X线探测器(5)组成，C臂滑轨(1)可引导X射线源(4)和X线探测器(5)作大于180°运动，臂深可控制在750mm和1000mm之间，C臂水平轴可旋转±180°，垂直轴左右摆动±12°；X射线源(4)能量为KV级，在80～150KV之间可调。

[0042] X线探测器(5)可为CCD影像增强器或非晶硅(硒)平板探测器，探测器最大有效探测面积可达41cm×41cm。

[0043] 病人(6)被放置在三维数控治疗床上，三维数控治疗床由可前、后、左、右、上、下和旋转运动的数控移动碳纤维床板(7)、带支架和面罩的头部固定器(17)、可上、下及360°旋转运动治疗床升降转轴(9)以及可使二维矩阵电离室或非晶硅(硒)EPID作X、Y、Z三维数控运动的二维矩阵剂量仪运动支撑架(8)和控制系统组成；三维数控治疗床的控制系统和实时影像自动跟踪系统、机器人系统以及射线源的控制系统互动连接。在常规治疗过程中，通过控制系统，可以非常精准实现机器人放疗系统的射束输出-靶区-治疗体位三位一体的配合。

[0044] 机器人系统由控制系统和机器人(10)组成。本系统的最主要装置是机器人(10)，它有6个自由度，手臂最大负重240公斤，最大回转半径大于1米，机器手移动重复精度小于0.2mm，通过控制系统的指令，可以非常灵活地用于放射治疗。 系统既可作常规共面或非共面等中心照射，也可作非等中心照射，既可实现常规园形射野治疗技术，也可实现方野多种调强放射治疗技术，并且可以在医生工作站上虚拟模拟治疗全过程。

[0045] 射线源由控制系统和安装在机器人(10)的手臂上的6MV X波段水冷直线加速器(11)组成，直线加速器(11)在1米处每分钟的输出剂量率大于200MU，最大重量不超过150公斤。 在直线加速器(11)前端配有变野准直器(12)适配器，根据病人病情需要选择不同的准直器。 一般说来，对于头颅、脊柱等部位小于3cm的肿瘤，选用园形准直器，而对于体部较大的实体瘤(如大于6cm)，则选用方形准直器进行调强放射治疗。

[0046] 如图3和图4所示，本发明的机器人放射治疗系统的工作过程如下：

[0047] 当病人确诊要进行用机器人放射治疗系统治疗时，医生首先用存在中心数据库内病人的CT(X线断层摄影)、MRI(核磁共振)或PET/CT诊断出来的病灶图像，根据病7
情在正、逆向放射治疗计划系统(TPS)中设计出优化的放射治疗计划。 初步设计出采用RRTS放射治疗的技术方式(常规射束或IMRT)和机器参数，计算和优化出病灶点需接受的放射剂量。

[0048] 将病人送入治疗室安放在治疗床上，进行病人体位校准。 在治疗前，利用C臂三维X线影像采集处理系统追踪病人体部靶区位置的移动。 该系统可以拍X片、连续图像和X射线容积图像，获得病人在治疗位置上的三维容积图像，无需植入标记物，经一次旋转即可采集到具有和CT一样的对比度，能够分辨肿瘤或危险器官等软组织结构的完整三维图像。

[0049] 进行治疗时，X线追踪系统(射线导航系统)也会不断把治疗过程中所获取的带有骨型参考点图像与先前储存在数据库内的病灶点图像相互比较，以便决定肿瘤的正确位置，再把这些数据输送至机器人机械臂，随时实时修正，根据放射治疗计划的要求，使射束按要求对准靶区。

[0050] RRTS系统的影像引导技术在治疗全过程中追踪靶目标。 该系统与放射影像先前获得的CT扫描图像进行融合、配准，反复确定靶目标与骨型参考点解剖结构的关系。如果采集的影像监测到病人靶区的任何位移，RRTS系统的控制系统指示直线加速器根据靶目标反馈回来的信息，重新做出非常精确的二次定位。

[0051] 由于上述图像引导自动跟踪过程只作到了射束照射野与肿瘤靶区的“形似”(即所谓适形)。在治疗过程中，肿瘤真实接受到的准确剂量，是由放在病人体后的二维矩阵电离室剂量仪在治疗过程中直接测量得到的。 对这个实时测量剂量进行重建和TPS计算剂量进行比较，若实时监测所照射治疗靶区接受的真实剂量和计划剂量有差异，当这种差异超过了一定的误差范围，系统会自动提示工作人员，或自动修正造成误差的原因，或修改治疗计划和治疗条件，或使机器人中止治疗。

[0052] 在对体内可能运动的脏器如肝、肺、心脏等部位靶区治疗时，为了更准确反映靶目标的细小移动，RRTS还配有两肿自动跟踪定位仪：1).采用在体表皮肤放置体表标记物的红外自动跟踪定位仪(被动式)；2).采用在体内肿瘤组织上放置电磁发生器的电磁自动跟踪定位仪(主动式)。 它们捕获的器官运动位移会即时传输给机器人控制系统进行位置修正。

[0053] 当进行IMRT方式治疗时，机器人位置的上下左右移动以及不同位置上变野准直器野的大小和驻留时间都由治疗计划系统TPS软件和机器人控制程序配合完成。8